Question

1．废旧锂离子电池的正极材料主要含有LiCoO₂（也表示为：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，可通过下列实验方法回收Co、Li．

已知：上述“酸溶、还原”步骤所得的溶液中没有检测出Fe³⁺，且溶液呈酸性；
（1）“酸溶、还原”步骤中被还原的元素为钴（填元素名称）；检验“除铁”后所得溶液中不含有Fe³⁺的实验方法是取“废铁”后的滤液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不变红色，则说明上述滤液中不含铁离子，否则含有铁离子
（2）“氧化”发生的离子方程式是4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．“除铁”步骤中，pH不宜过高，其目的是确保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉钴”步骤中需加人过量的NaOH溶液，其目的是确保Co²⁺沉淀，并将Al³⁺转化为AlO₂^-从而避免沉淀；
（3）Co（OH）₂在空气中加热时，固体残留率（$\frac{剩余固体的质量}{原始固体的质量}$×100% ）随温度的变化如图2所示．已知钴的氢氧化物加热至290℃时已完全脱水．则1000℃时（B点），剩余固体成分为CoO（填化学式）；从120-290℃这段过程所发生的总反应方程式为4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O．

Answer 1

分析 废旧锂离子电池的正极材料主要含有LiCoO₂（也表示为：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，向样品中加入稀硫酸、SO₂，发生的反应有2LiCoO₂+2H₂SO₄+SO₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+2H₂O、Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑，然后向溶液中通入空气，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，向溶液中加入NaOH，将Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀，过滤后溶液再加入NaOH溶液，发生的离子反应为Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂沉淀，过滤后向滤液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃，
（1）“酸溶、还原”步骤中被还原的元素为Co元素；
Fe³⁺用KSCN溶液检验；
（2）Fe²⁺不稳定，易被空气氧化生成Fe³⁺；“除铁”步骤中，pH不宜过高，其目的是确保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉钴”步骤中需加人过量的NaOH溶液，NaOH能溶解Al（OH）₃；
（3）根据质量守恒定律，在变化过程中，Co的质量没有变，通过题给数据看，在1000℃是Co（OH）₂完全分解，则产物CoO；
反应前后Co元素位于固体中，290℃固体残留率为89.25%，假设原来固体质量为93g，其物质的量为1mol，
则n（Co）=n[Co（OH）₂]=1mol，反应后固体质量减少质量为水，m（H₂O）=93g×（1-89.25%），剩余固体中n（O）=2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$，
所以n（Co）：n（O）=1mol：[2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$]=2：3，所以残留固体成分为Co₂O₃，根据反应物和生成物及反应条件书写方程式．

解答 解：废旧锂离子电池的正极材料主要含有LiCoO₂（也表示为：Li₂0•Co₂0₃）及少量Fe、Al等，向样品中加入稀硫酸、SO₂，发生的反应有2LiCoO₂+2H₂SO₄+SO₂=Li₂SO₄+2CoSO₄+2H₂O、Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、2Al+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂↑，然后向溶液中通入空气，Fe²⁺被氧化生成Fe³⁺，离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，向溶液中加入NaOH，将Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀，过滤后溶液再加入NaOH溶液，发生的离子反应为Co²⁺+2OH^-=Co（OH）₂沉淀，过滤后向滤液中加入Na₂CO₃，得到沉淀Li₂CO₃，
（1）“酸溶、还原”步骤中被还原的元素为Co元素；
Fe³⁺用KSCN溶液检验，其检验方法为：取“废铁”后的滤液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不变红色，则说明上述滤液中不含铁离子，否则含有铁离子，
故答案为：Co；取“废铁”后的滤液2-3mL，滴加KSCN溶液，若溶液不变红色，则说明上述滤液中不含铁离子，否则含有铁离子；
（2）Fe²⁺不稳定，易被空气氧化生成Fe³⁺，离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O，“除铁”步骤中，pH不宜过高，其目的是确保Fe³⁺沉淀而A1³⁺不沉淀，而在“沉钴”步骤中需加人过量的NaOH溶液，NaOH能溶解Al（OH）₃，且确保Co²⁺沉淀，
故答案为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；确保Co²⁺沉淀，并将Al³⁺转化为AlO₂^-从而避免沉淀；
（3）根据质量守恒定律，在变化过程中，Co的质量没有变，通过题给数据看，在1000℃是Co（OH）₂完全分解，则产物CoO；
反应前后Co元素位于固体中，290℃固体残留率为89.25%，假设原来固体质量为93g，其物质的量为1mol，
则n（Co）=n[Co（OH）₂]=1mol，反应后固体质量减少质量为水，m（H₂O）=93g×（1-89.25%），剩余固体中n（O）=2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$，
所以n（Co）：n（O）=1mol：[2mol-$\frac{93g×（1-89.25%）}{18g/mol}$]=2：3，所以残留固体成分为Co₂O₃，根据反应物和生成物及反应条件书写方程式为4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O，
故答案为：CoO；4Co（OH）₂+O₂$\frac{\underline{\;290℃\;}}{\;}$2Co₂O₃+4H₂O．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确流程图中各个步骤发生的反应或操作目的是解本题关键，难点是（3）题计算，根据反应前后Co原子守恒进行计算，题目难度中等．